东线工程是南水北调工程的重要组成部分, 规划从江苏省扬州市附近的长江干流引水, 利用京杭大运河以及与其平行的河道输水, 连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖作为调蓄水库, 经泵站逐级提水进入东平湖后分水两路, 一路向北穿过黄河后自流到天津, 另一路向东自流经胶东半岛输水干线向山东半岛供水^[1]。

　　 南水北调东线供水区大部分城市都面临地表水日益减少, 深层地下水过度开采, 仅依靠当地水资源无法保证城市用水需求的情况。水资源缺乏已严重制约了经济发展并对当地生态环境产生了严重影响。为缓解当地水资源不足, 许多地区供水水源已逐步切换为南水北调东线水。

　　 东线水输水路线长, 沿途更易受到污染。为保证供水区域生活饮用水的安全, 抗击水源水的水质变化, 对采用南水北调东线水原水的配套水厂增设深度处理工艺十分必要。

　　 深度处理工艺在华北地区普及率较低, 原水全面切换为南水北调东线水时间不长, 故鲜有针对东线原水深度处理工艺选择的研究, 本文将填补这一空白。以青岛某36万m³/d水厂为例, 探讨典型南水北调东线原水的配套水厂深度处理工艺的选择和应用, 以期为今后相似原水水质水厂深度处理工程提供设计依据。

　　 青岛某水厂切换南水北调东线水源后, 2015年、2016年部分水质指标如表1所示。

　　 由表1可知, 原水水质总体符合《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) Ⅲ类水标准。但有机物指标中COD、总氮指标长期超标, UV₂₅₄水平也较高, 原水有机物污染较为明显。氯离子、氟离子浓度较高, 硫酸盐偶有超标现象。

　　 查阅文献[2,3]可知, 南水北调东线东平湖近年来部分水质指标见表2。

　　 对比表1和表2可知, 东平湖水质基本符合《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) 中的Ⅲ类水体标准。对比青岛某水厂原水, 两者均存在COD_Mn、TN指标较高现象, 而BOD₅和COD_Mn平均值与水厂原水的数值也较为一致。可见青岛某水厂原水水质同东平湖水质非常相近, 该水厂深度处理工艺的选择对其他南水北调东线配套水厂具有一定的参考价值。

　　 青岛某水厂设计规模为36万m³/d, 包括原水取水工程、常规处理工程、水处理系统配套设施等。现有常规处理流程如图1所示, 常规处理工艺为普遍采用的絮凝、沉淀、砂滤工艺。

　　 青岛近年来基本采用南水北调东线供水, 根据2015年、2016年出厂水检测结果, 对典型指标进行统计, 具体情况见表3、表4。

　　 由表3、表4可知, 常规处理出厂水COD_Mn、UV₂₅₄等有机物指标偏高, 硫酸盐接近上限, 氯化物、硬度也处于较高的水平。因此, 出厂水虽然符合《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) , 但仍有进一步提升的需要。

　　 水厂原设计占地面积约122亩 (1亩≈666.7m²) , 东西向长425m, 南北向宽196m, 平面布置详见图2。原水从厂区的西北角进入水厂, 自西向东依次经过沉淀池、滤池和清水池。二泵房位于清水池南侧, 清水经水泵加压后, 从水厂的南侧进入市政管网。水厂东侧是生产管理区域。加药间、加氯间位于水厂中北部。水厂建设年代较早, 并无深度处理工艺预留用地。

　　 根据《青岛市城市供水专业规划 (2012-2020) 》, 至2020年, 青岛市海淡供水能力将达到29万m³/d。青岛该厂附近海水淡化厂现有生产能力10万m³/d, 海水淡化厂将在近期扩建。海水淡化厂主要指标分别为COD_Mn1.75 mg/L, 硬度25mg/L, 硫酸盐30mg/L。

　　 根据2.3节所述, 该厂场地条件有限, 进行深度处理改造需拆除现有附属建筑物, 故只能满足一种处理工艺的用地要求。原水有机物污染较严重, 无机离子浓度高, 常规处理无法去除过多有机物质, 更无法去除无机离子。因此, 深度处理工艺的选择应针对有机物的去除和无机离子浓度的降低。

　　 近年来深度处理工艺主要分为反渗透膜处理技术、臭氧—活性炭技术及紫外高级氧化技术。各技术简介如下:

　　 (1) 反渗透技术主要去除水中无机离子^[4], 对浊度、细菌和藻类也有去除能力, 多用于处理工业用水、苦咸水和淡化海水等^[5]。近年来反渗透技术投资运行成本逐步降低, 在生活饮用水深度处理中有较多工程案例^[6]。

　　 (2) 臭氧—生物活性炭技术是集臭氧化学氧化、活性炭吸附和生物氧化降解3种作用的技术, 可在常规处理后进一步去除水中有机污染物、氯消毒副产物的前体物及氨氮, 保证出水化学和生物稳定性^[7], 但该技术无法去除无机盐。因此结合地区实际情况, 考虑海淡水勾兑。

　　 (3) 紫外高级氧化是通过形成羟基自由基以摧毁原水中的不易降解物质^[8], 目标污染物包括引发嗅味的MIB、Geosmin、内分泌干扰素^[9]、农药^[10]与药物残留^[11]等物质。该技术亦无法去除无机盐, 因此也考虑海淡水勾兑。

　　 为节约水资源, 反渗透/纳滤膜方案膜处理回收率设定值不小于95%。为提高回收率, 考虑多级膜处理工艺:采用超滤+一级纳滤/反渗透+除氟+二级纳滤/反渗透处理的工艺流程。考虑到厂区用地有限, 为解决反渗透膜出水再矿化, 采用36万m³/d超滤, 18万m³/d再经反渗透处理, 与其余18万m³/d未经反渗透处理出水混合方案。工艺流程及物料平衡见图3。

　　 最终浓盐尾水量为9 000m³/d。根据该水厂出厂水水质指标平均值推算, 尾水中主要指标分别为:COD_Mn42 mg/L, 硬度5 600 mg/L, 硫酸盐4 740mg/L。根据当地环保部门要求, 此类水纳管排放不符合当地排放标准, 需资源化处理后才可能排放;但场地条件有限, 资源化利用耗能高, 投资大, 也不具备可行性。可见, 尾水处置难度极大。

　　 据现有的地形条件, 布置深度处理构筑物需拆除现有的4栋附属建筑物。深度处理构筑物设计规模为36万m³/d, 包括提升泵房及膜处理车间1座 (包括纳滤/反渗透膜车间、化学清洗车间、反冲洗车间、以及控制室和变电站) 以及膜处理废水池1座。本方案平面布置见图4。

　　 臭氧—生物活性炭深度处理工艺流程:砂滤池出水进入中间提升泵房提升后, 进入臭氧—生物活性炭滤池, 出水接入现有清水池。海淡水管接至清水池进水管, 与臭氧—生物活性炭出水混合后进入清水池。工艺流程及物料平衡示意如图5所示。

　　 据现有的地形条件, 布置深度处理构筑物需拆除现有的4栋附属建筑物。深度处理构筑物设计规模为36万m³/d, 包括深度处理车间1座 (包括提升泵房、臭氧接触池和活性炭滤池) 、臭氧车间 (下叠回用水池) 及氧气站1座。本方案平面布置见图6。

　　 紫外高级氧化核心设备为紫外反应器, 安装在紫外接触渠内, 占地面积小。紫外高级氧化工艺采用低压高强灯方案。紫外高级氧化系统后需设置活性炭吸附池吸收水中残余的双氧水, 接触时间约为7.5min。由于通过紫外灯渠道和吸附池有一定水头损失, 在经紫外高级氧化系统后需水力提升, 以满足进入清水池水位。工艺流程及物料平衡示意见图7。

　　 据现有的地形条件, 布置深度处理构筑物需拆除现有的4栋附属建筑物。深度处理构筑物设计规模为36万m³/d, 包括深度处理车间1座 (包括紫外高级氧化间、活性炭吸附池) 、双氧水加药间下叠回用水池1座。本方案平面布置如图8所示。

　　 紫外高级氧化采用的双氧水极易分解, 为甲类危险品, 且紫外灯寿命较短, 更换维护工作量大, 紫外高级氧化技术为新型的深度处理工艺, 目前国内尚无相应的设计规范, 也缺乏同等规模水厂实践案例, 生产性运用时间较短, 运行管理经验较少。

　　 3种深度处理方案 (紫外高级氧化工艺、臭氧—生物活性炭工艺、多级膜工艺) 对比详见表5。在以上方案中, 紫外高级氧化和臭氧—生物活性炭工艺均以去除有机污染物和相应的致嗅物为主要目标, 反渗透工艺则以去除无机离子为主要目标。

　　 反渗透处理工艺出水水质较好, 但其尾水处理难度大、运行成本高、每天9 000m³的耗水量更会给水资源本已匮乏的青岛淡水供应量造成更严重的负担。紫外高级氧化出水水质较臭氧—生物活性炭工艺好, 但双氧水为甲类危险品, 且紫外灯维护工作量大, 国内工程经验十分匮乏。臭氧—生物活性炭工艺技术成熟、解决水体有机微污染、嗅味和口感等问题方面具有优势, 该工艺在国内已有大量工程实例, 且已有多座大型水厂实际生产运行超过10年, 投资和运行成本低。推荐臭氧—生物活性炭技术为该水厂深度处理工艺。

　　 (1) 为保证城市生活用水水质安全, 有效抗击输水沿线突发污染, 应在南水北调东线水原水的配套水厂增设深度处理工艺。

　　 (2) 青岛某水厂原水水质、常规处理工艺、出厂水水质具备代表性, 其深度处理工艺的选择对其他南水北调东线配套水厂有一定的参考价值。

　　 (3) 通过物料平衡分析及深度处理平面布置, 比较了工艺投资、出水水质、水资源利用、尾水处理难度、工程经验及运行管理难度等方面。认为臭氧—生物活性炭技术具有工程经验成熟、投资成本低、水资源利用率高等特点, 确定为最终深度处理工艺。